排樁與土釘墻聯(lián)合支護(hù)基坑變形數(shù)值模擬

俞海波，王紅雨，王衛(wèi)東，劉亞琴

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.中國石油化工集團(tuán)公司 中原建設(shè)工程有限公司，河南 濮陽 457000)

排樁與土釘墻聯(lián)合支護(hù)基坑變形數(shù)值模擬

俞海波1,2，王紅雨1，王衛(wèi)東2，劉亞琴2

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.中國石油化工集團(tuán)公司 中原建設(shè)工程有限公司，河南 濮陽 457000)

運用有限元分析軟件 PLAXIS，對采取樁錨與土釘墻聯(lián)合支護(hù)的銀川市天璽國際中心項目深基坑變形進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。計算模型采用15結(jié)點三角形單元模擬土體，土體按照實際情況分為7層，用注漿體模擬混凝土面層，用板單元模擬排樁，用點對點錨桿和土工格柵的組合來模擬土釘。計算結(jié)果表明:排樁與土釘墻聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，在2種支護(hù)形式交接處變形量較大，說明基坑支護(hù)材料的剛度對基坑變形影響顯著；隨著基坑的開挖，邊坡的變形量逐漸增大，且坡頂最終變形量大于坡底。將模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得出了類似深基坑變形的一般性規(guī)律及以控制變形為目的的改進(jìn)支護(hù)加固方案。

深基坑聯(lián)合支護(hù)；排樁與土釘墻；變形量；數(shù)值模擬；有限元

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，銀川地區(qū)基坑工程規(guī)模不斷增加，這對銀川地區(qū)深基坑工程的支護(hù)提出了更高的要求，多種支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護(hù)也應(yīng)運而生。銀川地區(qū)采用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式聯(lián)合支護(hù)的深基坑會越來越多，其施工過程中基坑的變形成為重點關(guān)注的問題[1-3]。本文運用有限元分析軟件 PLAXIS，對采取排樁與土釘墻聯(lián)合支護(hù)的銀川市天璽國際中心項目深基坑工程進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，以便為當(dāng)?shù)仡愃粕罨庸こ虒嵺`提供參考。

1 工程概況

1.1 工程位置

銀川天璽國際中心項目地位于銀川市興慶區(qū)北京中路北側(cè)，鳳凰北街東側(cè)，濟(jì)慈巷南側(cè)。場地東側(cè)為海寶小區(qū)，東南側(cè)為寧夏出版集團(tuán)大樓。

1.2 工程特點

銀川市天璽國際中心項目深基坑開挖深度-17.0 m，中間機(jī)房挖深-21.7 m。該項目基坑工程是銀川地區(qū)目前已建及在建工程中基坑最深的工程，因此在銀川地區(qū)具有代表性。基坑工程采用排樁與土釘墻聯(lián)合支護(hù)方案，降水采用基坑四周打井降水、基坑內(nèi)降水、局部輕型井點降水相結(jié)合的組合降水方案。

1.3 氣象水文條件

地下水位受當(dāng)?shù)亟邓肮喔惹闆r影響，根據(jù)銀川地區(qū)降水及灌溉情況，勘察期間為枯水季節(jié)?？辈鞎r實測穩(wěn)定水位埋深6.00 m左右(以孔口原始地坪開始計算)，因此模擬的初始水位設(shè)在-6.00 m[4]。水位高程在1 102.80 m左右，水位無明顯地下徑流趨勢，周邊無施工降水影響。

1.4 工程場地土層分布

根據(jù)勘察現(xiàn)場記錄，結(jié)合室內(nèi)土工試驗結(jié)果，在本場區(qū)勘察深度范圍內(nèi)，除上部填土外，其下均為第四系黃河沖積相堆積地層，無特殊性巖土。整個場區(qū)地層自上而下可分為下述主要幾層，現(xiàn)分層描述如下：

(1) 雜填土：原建筑場地整平時堆填的雜填土、碎磚塊、爐渣等，平均厚1.6 m。

(2) 素填土：以黏性土為主，局部為粉土，厚1.8～2.7 m，平均厚2.1 m。

(3) 粉土：黃褐色，稍濕，稍密-中密，低于強度，低韌性，平均厚1.3 m。

(4) 粉質(zhì)黏土層：褐色-磚紅色，稍濕，可塑-硬塑狀，巖芯較完整，中等-高干強度，平均厚1.7 m。

(5) 粉細(xì)砂層：上部有少量粉砂，中下部為細(xì)砂，中密-密實，平均厚9.0 m。

(6) 粉土層：黃褐色-灰褐色，飽和，很濕，平均厚3.2 m。

(7) 細(xì)砂層：黃褐色-灰褐色，密實，隨深度增加其密實度和強度亦隨之提高，平均厚16 m。

1.5 排樁與土釘墻聯(lián)合支護(hù)

本基坑支護(hù)采用復(fù)合土釘墻及排樁組合結(jié)構(gòu)支護(hù)方案?；又ёo(hù)西側(cè)剖面圖見圖1。

表1 土體特性及參數(shù)Table 1 Characteristics and parameters of soils

表2 模擬構(gòu)件特性及參數(shù)Table 2 Characteristics and parameters of simulation components

圖1 基坑支護(hù)西側(cè)剖面圖Fig.1 West profile of support structure of foundation pit

基坑上部采用1∶0.4放坡土釘墻支護(hù)，下部采用排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。錨孔采用直徑160 mm機(jī)械成孔，面層厚80 mm的C20混凝土，錨栓頭采用14#槽鋼焊接，預(yù)應(yīng)力錨索采用張拉機(jī)拉拔，面層內(nèi)掛φ6.5@200×200鋼筋網(wǎng)，基坑坡頂均布荷載是20 kPa。上部土釘墻錨桿采用φ18@1 500布置;下部排樁預(yù)應(yīng)力錨索L=16 m間距2 400 mm布置，樁長13.5 m，樁間距1.2 m，樁徑800 mm。坡頂為距基坑1 m自然地面位置，冠梁位置位于土釘墻與排樁交接處，坡底位置位于排樁與基坑開挖面交界處，如圖1。在排樁與土釘墻聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，土釘部分使得土體得到加固和補強，相應(yīng)的側(cè)壁土壓力減小，樁體嵌固深度較小，錨桿預(yù)應(yīng)力水平降低；樁體較大的強度和剛度，使土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性更易于滿足要求，另由于排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工早，強度的預(yù)先形成，可顯著降低基坑變形提高土釘?shù)氖┕に俣龋s短工期[5]。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 模擬邊界的選取

根據(jù)該基坑工程的實際尺寸,取土層邊界為深35 m，寬40 m。由于該工程兩邊支護(hù)結(jié)構(gòu)基本相同，在建立幾何模型時只選模型的一半，即以基坑西南邊坡剖面為研究對象[6]。幾何模型底部施加完全固定約束，兩測邊界施加滑動約束。

2.2 數(shù)值模擬參數(shù)的確定

數(shù)值模擬參數(shù)的確定直接影響模擬計算結(jié)果，是模擬過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本次模擬參數(shù)選取根據(jù)本工程巖土勘查報告，具體模擬參數(shù)如表1、表2所示。

2.3 計算模型

本次模擬計算模型采用15結(jié)點三角形單元模擬土體，土體按照實際情況分為7層，用注漿體模擬混凝土面層，用板單元模擬排樁，用點對點錨桿和土工格柵的組合來模擬土釘[6-7]。網(wǎng)格劃分精度選擇中等粗糙程度,并對排樁、土釘及混凝土面層部附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。地下水位初始設(shè)置在地下6 m，并隨開挖面的降低而設(shè)置新的水位，計算水位按低于基坑開挖面2 m綜合進(jìn)行考慮。計算模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)計算網(wǎng)格Fig.2 Computational grids of the structure

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析及建議

3.1 基坑變形監(jiān)測

由天璽國際中心項目監(jiān)測技術(shù)報告，基坑監(jiān)測點布設(shè)在坡頂共20個，分別編號為PDJCD1,PDJCD2,…,PDJCD20。目前已埋設(shè)20個，支護(hù)樁共布設(shè)監(jiān)測點28個, 分別編號為GLJCD1,GLJCD2,…,GLJCD28。監(jiān)測點由基坑北邊坡順時針依次編號，具體監(jiān)測點點位分布見圖3。

注：圖中右側(cè)矩形為已存在建筑物。 圖3 銀川天璽國際中心項目基坑監(jiān)測點平面分布Fig.3 Plane layout of monitoring points in the foundation pit of Yinchuan Tianxi International Center Project

3.2 變形監(jiān)測結(jié)果

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)繁多，所以列舉部分代表時間段監(jiān)測數(shù)據(jù)(有些監(jiān)測點隨施工進(jìn)度依次埋設(shè))，刪除了監(jiān)測點的實際坐標(biāo)值，只列舉最終累積變化值。由于該工程是在建工程，目前還沒有坡底的監(jiān)測數(shù)據(jù)，但根據(jù)坡頂及冠梁處的監(jiān)測數(shù)據(jù)同樣可以體現(xiàn)該基坑的變化規(guī)律。坡頂及冠梁處監(jiān)測點變形量如圖4所示，Δx為累計水平變形量;Δy為累計豎直變形量;ΔD為累計總位移量，監(jiān)測變形量單位為mm。

圖4 坡頂和冠梁處監(jiān)測點變形量Fig.4 Monitored deformations of slope top and top beam

通過觀測數(shù)據(jù)分析表明：在開挖過程中，支護(hù)結(jié)果的變形主要表現(xiàn)為傾斜和平移。但當(dāng)基坑開挖超過一定深度時，由于2種支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的不同，在2種支護(hù)結(jié)構(gòu)交界處(即冠梁處附近)產(chǎn)生較大變形。當(dāng)對支護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置水平錨桿并進(jìn)行部分張拉后，彎曲變形很快得到控制并出現(xiàn)較大反彈，期間由于土體的擾動還出現(xiàn)了累計變形量減小的現(xiàn)象?；舆吰马敳客馏w個別監(jiān)測點出現(xiàn)明顯位移?；颖O(jiān)測點累積水平位移量最大發(fā)生在GLJCD17點處，水平位移量為82.8 mm，速率為-0.2 mm/d，累積豎直位移最大量發(fā)生在GLJCD19，豎向位移量為88.7 mm，速率為0.5 mm/d?；永塾嬑灰屏孔畲簏c為GLJCD19處，累計位移量已達(dá)到89.4 mm。

3.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果

本工程數(shù)值模擬計算由7個施工階段組成 。整個開挖過程分7個施工階段進(jìn)行開挖支護(hù) ,每階段定義為1個工況分步進(jìn)行模擬計算，每工況開挖到達(dá)深度分別為2,4,8,10,12,14,17 m。最終水平位移云圖和分布步開挖變形曲線圖如圖5、圖6所示。

圖5 最終水平位移云圖 Fig.5 Cloud image of the final horizontal deformation

圖6 分步開挖變形曲線Fig.6 Curves of deformation vs. excavation steps

3.4 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

由圖6可知，數(shù)值模擬得到的最大變形量為81 mm與實測變形數(shù)據(jù)89 mm比較可得，計算結(jié)果符合實際情況。雖然模擬結(jié)果最大位移發(fā)生在均布荷載下遠(yuǎn)離支護(hù)結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)端，但基坑邊坡及基坑底部變形在9 cm以下，并保持很好的穩(wěn)定，如圖5所示。

通過圖5可發(fā)現(xiàn)，在土釘墻與排樁支護(hù)交界的地方發(fā)生了很大的變形位移，最大水平位移達(dá)到80.6 cm。這一模擬計算結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)非常吻合，說明本次模擬可靠，能夠達(dá)到預(yù)測變形的目的。

在2種支護(hù)結(jié)構(gòu)交界處發(fā)生了很大變形，是因為交界處支護(hù)面的剛度發(fā)生突變。說明支護(hù)材料的剛度對基坑邊坡變形有很大影響。所以在實際工程中，采用2種不同支護(hù)形式交界處應(yīng)更謹(jǐn)慎處理。必要時應(yīng)對交界處附近進(jìn)行加固。

通過圖5可以發(fā)現(xiàn)地層變形具有一定的分層性,并且整體變形趨勢明顯。結(jié)合圖6可知，邊坡雖然有56 cm左右的沉降，但水平位移較之更大。因此，在該地區(qū)類似實際工程中對基坑監(jiān)測時對水平位移也需要更加注意，選擇監(jiān)測方案時應(yīng)該采用對水平位移更精確的方案。

通過圖6可以發(fā)現(xiàn)隨著基坑的開挖，邊坡的變形量逐漸增大，且坡頂最終變形大于坡底。但其間變形有可能向負(fù)方向進(jìn)行，這與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)中變形量出現(xiàn)負(fù)值吻合。說明開挖對邊坡的擾動明顯，其間邊坡變形的方向不一定一致，但總體趨勢一致。

基坑底部有最大9 cm的隆起，但排樁附近基坑隆起變形明顯減少，說明排樁支護(hù)對基坑隆起起到了很好的抑制作用?；右陨贤馏w由于開挖卸載產(chǎn)生沉降,沉降作用由地表向下傳遞。

4 結(jié) 論

本文以銀川市城區(qū)某在建深基坑工程為研究對象，利用有限元模擬軟件PLAXIS模擬開挖的過程，計算基坑變形，對基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀進(jìn)行了一定的分析研究，主要得出結(jié)論如下：

(1) 樁錨與土釘墻聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，在2種支護(hù)形式交接處變形量較大，說明基坑支護(hù)材料的剛度對基坑變形影響顯著，在2種支護(hù)形式交界處(本工程在混凝土面層與排樁冠梁交界附近有材料剛度的突變)設(shè)計及施工時應(yīng)該采取必要的加固措施。

(2) 隨著基坑的開挖，邊坡的變形量逐漸增大，且坡頂最終變形量大于坡底。但其間變形有可能向負(fù)方向進(jìn)行，說明開挖對邊坡的擾動明顯，其間邊坡變形的方向不一定一致，但總體趨勢一致。所以在實際施工中應(yīng)該采取措施盡量減少開挖對邊坡的擾動。在監(jiān)測過程中，減少監(jiān)測間隔，對監(jiān)測點出現(xiàn)的負(fù)值及無變化的點不能忽視。

(3) 本工程地質(zhì)條件相對比較穩(wěn)定，基坑水平變形位移相對沉降較大，水平位移大于沉降，監(jiān)測時應(yīng)該選用對水平位移觀測更加精確的方案。

[1] 王曉燕.銀川市城市空間發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].武漢:武漢大學(xué)，2005.

[2]王東會,賈蒼琴,閻錫東. 我國深基坑工程發(fā)展簡述[J]. 工業(yè)建筑,2014,(S1):742-745.

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[6] 馬 平,申 平,秦四清,等.深基坑樁錨與土釘墻聯(lián)合支護(hù)的數(shù)值模擬[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2008，16(3):402-407.

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Numerical Simulation on Deformation of Excavation Pit Supportedby Row Piles and Soil Nailing

YU Hai-bo1,2, WANG Hong-yu1, WANG Wei-dong2, LIU Ya-qin2

(1.School of Civil Engineering and Water Conservancy, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;2.Zhongyuan Construction Engineering Corporation,Sinopec Group, Puyang 457000, China)

The deformation of deep excavation pit supported by row piles and soil nailing at Tianxi International Center of Yinchuan was simulated by using PLAXIS software. The calculation model was established by using a 15-node triangular element to simulate the soil that was divided into seven layers, and the concrete surface layer was simulated with grouting element, the row of piles was simulated with plate element and the soil nail was simulatedby using the combination of point anchor and geo-grid. Calculation results showed that large deformation was found at the junction of two supporting forms, which indicated that the rigidity of the support structure had remarkable influence on the deformation of the excavation pit. The deformation of pit slope increased gradually with the increasing of excavation depth, and the final deformation at top of slope was greater than that of the bottom.Through comparison between simulation result and monitored result, some common laws of foundation pit deformation were concluded.

joint support of deep excavation pit; row of piles and soil nailing wall; deformation; numerical simulation;finite element

2015-10-13；

2015-11-03

俞海波(1989-)，男，安徽巢湖人,碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的研究，(電話) 18239383175 (電子信箱)289857795@qq.com。

王紅雨(1961-)，男，寧夏銀川人，教授，博士,主要從事巖土工程方面研究，(電話)13995171216 (電子信箱)why.nxts@163.com。

10.11988/ckyyb.20150853

2017,34(3):96-99，105

TV223.2

A

1001-5485(2017)03-0096-04